第3节 自感现象与涡流-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

第3节　自感现象与涡流 【核心素养目标】 物理观念 形成自感与涡流的概念。能解释自感现象，能识别涡流的应用和防止。 科学思维 通过独立思考和合作讨论的方式，形成归纳总结和质疑创新的思维。 科学探究 能完成“探究自感现象”的物理实验，并能分析现象得到实验结论，能根据实验中的问题提出改进措施。 科学态度与责任 能体会自感现象和涡流现象在生产、生活中的应用与防护给人类文明带来的巨大进步。 一、自感现象和自感电动势 1.自感现象：由线圈自身电流变化所产生的电磁感应现象。 2.自感电动势 (1)定义：由线圈自身电流变化所产生的感应电动势。 (2)特点：总是要阻碍导体自身的电流发生变化。 二、自感电动势与自感系数 自 感 电 动 势 方向 原电流增大时，与原电流方向相反；原电流减小时，与原电流方向相同 作用 阻碍自身电流发生变化 大小 E＝L，与电流的变化率成正比 续表 自 感 系 数 物理 意义 表征产生自感电动势本领的大小 大小决 定因素 线圈的形状、横截面积、长度、匝数等 单位 (1)亨(H)、毫亨(mH)、微亨(μH) (2)1 mH＝10－3 H　1 μH＝10－6 H (3)1 H＝1 V·s/A 三、涡流及其应用 1.涡流定义：将一金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化，金属块内部就会产生旋涡状的感应电流。 2.涡流的应用——电磁炉 (1)工作原理：利用涡流原理制成的。 (2)优点：热效率高；无烟火，无毒气、废气，被称为“绿色炉具”；只对铁质锅具加热，炉体本身不发热。 学生用书⬇第53页 1.判断正误 (1)自感现象是一种电磁感应现象。(√) (2)在自感现象中产生的电动势总是阻碍原电流的变化。(√) (3)自感现象遵从法拉第电磁感应定律和楞次定律。(√) (4)当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反。(×) 2.链接实景 “千人震”实验 装置：如图所示。 步骤：先闭合开关S，再断开开关S。 通电时一节干电池不足以让这么多同学感觉到被电击，但断电的瞬间，同学们都会突然受到电击，这是什么原因呢？ 提示：当开关闭合后，镇流器与同学们并联，由于干电池的电动势小，所以电流很小，同学们不会感觉到电击；但在断电的瞬间，镇流器的电流迅速减小，瞬间产生高压，从而使同学们有触电的感觉。 知识点一　对自感现象的理解 　　按照图示连接电路。 (1)开关S接通时，灯泡1和2的发光情况有什么不同？ (2)利用已学知识解释该现象。 提示：(1)灯泡2立即发光，而灯泡1是逐渐亮起来的。 (2)接通电源的瞬间，电流增加，线圈L中产生感应电动势。根据楞次定律，感应电动势会阻碍电流的增加，所以灯泡1慢慢地亮起来。 1.自感现象的原理：当导体线圈中的电流发生变化时，电流产生的磁场也随之变化，引起线圈中磁通量发生变化，由法拉第电磁感应定律可知，线圈会产生阻碍自身电流变化的自感电动势。 2.对自感电动势的理解 (1)作用：阻碍原电流的变化。阻碍不是阻止，原电流仍在变化，只是使原电流的变化时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用。 (2)方向：总是阻碍引起自感电动势的原电流的变化，有“增反减同”的特点。 ①当原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反。 ②当原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同。 (3)大小：由电流变化的快慢(即电流的变化率)和线圈的自身结构(自感系数)共同决定，即E＝L 。 3.自感现象的三个状态 (1)通电瞬间状态：通电瞬间自感线圈相当于一个阻值无穷大的电阻，其所在的支路相当于断路。 (2)通电稳定状态：电路中电流稳定后，自感线圈相当于一段理想导线或纯电阻。 (3)断电瞬间状态：电路刚断开瞬间，自感线圈相当于一个电源，对能够与它组成闭合回路的用电器供电，并且刚断开电路的瞬间通过自感线圈的电流大小和方向与电路稳定时通过自感线圈的电流大小和方向相同。 学生用书⬇第54页 4.自感现象的分析 － 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 电路图 通电时 电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮 电流突然变大，然后逐渐减小达到稳定 续表 － 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡 断电时 电流逐渐减小 灯泡逐渐变暗 电流方向不变 电路中稳态电流为I1、I2 ①若I2＝I1，灯泡逐渐变暗 ②若I2＞I1，灯泡闪亮后逐渐变暗 ③若I2＜I1，灯泡先立即变暗一些再逐渐变暗 三种情况灯泡电流方向均改变 在如图所示的电路中，L为电阻很小的线圈，G1和G2为零刻度线在表盘中央的两个相同的电流表。当开关S闭合时，电流表G1、G2的指针都偏向右方，那么当断开开关S时，将出现的现象是(　　) A.G1和G2的指针都立即回到零点 B.G1的指针立即回到零点，而G2的指针缓慢地回到零点 C.G1的指针缓慢地回到零点，而G2的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点 D.G2的指针缓慢地回到零点，而G1的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点 答案：D 解析：当开关断开时，通过线圈的电流变小，导致线圈中产生瞬间感应电动势，从而阻碍电流的变小，所以使得G2的指针缓慢地回到零点，而G1的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点。故A、B、C错误，D正确。] 判断电流表偏转方向的方法 1.根据题目判断电流表指针与电流流向之间的关系。 2.根据自感电动势的阻碍作用判断瞬时电源的正、负极，进而判断电流表的偏转方向。 关于线圈中自感电动势大小的说法中正确的是(　　) A.电感一定时，电流变化越大，自感电动势越大 B.电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大 C.通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零 D.通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大 答案：B 解析：由自感电动势E＝L 可知，L一定时，E与成正比，即电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大，故 A错误，B正确；通过线圈的电流为零的瞬间，电流变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，通过线圈的电流为最大值的瞬间，电流变化率可能为零，自感电动势也可能为零，故C、D均错误。 针对练1.关于自感现象，下列说法正确的是(　　) A.自感电动势一定和原电流方向相反 B.自感电动势一定和原电流方向相同 C.对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感系数较大 D.对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感电动势较大 答案：D 解析：根据楞次定律可知，当原电流增大时，感应电流与原电流方向相反，自感电动势与原电流方向相反；当原电流减小时，感应电流与原电流方向相同，自感电动势与原电流方向相同，故A、B错误。自感系数是由线圈本身的特性决定的，与电流变化快慢无关，故C错误。根据法拉第电磁感应定律可知，当电流变化越快时，磁通量变化越快，自感系数不变，自感电动势越大，故D正确。故选D。 针对练2.(多选)某线圈中通有如图所示的电流，则线圈中自感电动势改变方向的时刻有(　　) A.第1 s末　　　　　　　　　 B.第2 s末 C.第3 s末 D.第4 s末 答案：BD 解析：由自感电动势E＝L 知，当电流的变化率为零时，自感电动势的方向发生改变。由题图可知t＝2 s和t＝4 s时，为零。故选项B、D正确。 学生用书⬇第55页 知识点二　断电自感和通电自感 　如图所示为演示断电自感的电路，先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关。为什么灯泡A不立即熄灭？ 提示：电源断开时，灯泡A中由电源提供的电流瞬间变为零，而通过线圈L的电流减小，线圈中会产生自感电动势，且线圈L与灯泡A构成闭合回路，线圈L对灯泡A进行供电，所以灯泡A不会立即熄灭。 1.断电自感 实验电路 实验要求 电路稳定时L1、L2亮度相同 S断开的瞬间 IL＞IL1 L1猛然亮一下再逐渐熄灭 L2立 刻熄灭 R0为纯电阻，不产生自感现象，L2立即熄灭。L为自感系数较大的线圈，断开S后，L中产生自感电动势，与L1组成闭合回路，线圈中的电流在原来电流值基础上逐渐减小 IL＝IL1 L1由原来亮度逐渐熄灭 IL＜IL1 L1先立即变暗一些再逐渐熄灭 2.通电自感 实验电路 实验要求 电路稳定时L1、L2亮度相同 S闭合 的瞬间 L1先亮 由于L1支路为纯电阻电路，不产生自感现象 L2逐渐变亮，最后与L1一样亮 由于L的自感作用阻碍L2支路电流增大，出现“延迟”现象 如图所示的电路中，两支路的电阻相等，流过电流表A1的电流为I1，流过电流表A2的电流为I2，则在接通开关S和断开开关S的瞬间，观察到的现象是(　　) A.接通S的瞬间，I1＜I2；断开S的瞬间，I1＞I2 B.接通S的瞬间，I1＜I2；断开S的瞬间，I1＝I2 C.接通S的瞬间，I1＝I2；断开S的瞬间，I1＜I2 D.接通S的瞬间，I1＞I2；断开S的瞬间，I1＝I2 答案：B 解析：接通电路瞬间，由于电流表A1支路电感线圈的存在，阻碍电流的增大，所以I1缓慢变大到最大，而电流表A2的支路为纯电阻，所以I2立即达到最大；又因为两支路电阻相等，且是并联，电压相等，所以最大电流相等，可以得出接通瞬间I1＜I2。断开S瞬间，由于电感的存在要阻碍电流的减小，且此时A1与A2连成闭合回路，是串联关系，所以I1＝I2，故A、C、D错误，B正确。 针对练1.如图所示，A、B是相同的白炽灯，L是自感系数很大、电阻可忽略的自感线圈。下面说法正确的是(　　) A.闭合开关S瞬间，A、B灯同时亮，且达到正常 B.闭合开关S瞬间，A灯比B灯先亮，最后一样亮 C.断开开关S瞬间，P点电势比Q点电势低 D.断开开关S瞬间，通过A灯的电流方向向左 答案：C 解析：闭合开关S接通电路时，由于线圈的阻碍，灯泡A会迟一会亮，B灯立即变亮，最后一样亮，故A、B错误；断开开关S切断电路时，线圈中产生自感电动势，与灯泡A、B构成闭合回路放电，故两灯一起变暗，最后一起熄灭，该过程中电流的方向与线圈L中的电流的方向相同，所以电流从左向右流过灯泡A，从右向左流过灯泡B，P点电势比Q点电势低，故C正确，D错误。 针对练2.(多选)如图甲所示，电阻R1、R2的阻值相同，线圈L的自感系数较大，电源内阻不计。闭合开关S待电路稳定后开始计时，t1时刻断开开关S，t2时刻整个电路的电流均为零。通过电流传感器(图甲中未画出，可认为内阻不计，不影响电路连接方式)测得t1前后通过某个电阻的电流大小随时间变化的图像如图乙，用I1和I2分别表示开关S断开前后瞬间的电流大小。则下列说法正确的是(　　) 学生用书⬇第56页 A.电流传感器测量的是通过电阻R1的电流 B.电流传感器测量的是通过电阻 R2的电流 C.断开开关S后，通过电阻R1、R2的电流大小始终相等 D.断开开关S前后，通过电阻R2的电流方向不变 答案：BC 解析：由题图乙可知断开开关S后，通过电流传感器的电流先瞬间减小再缓慢变小，线圈会使所在支路电流在断开开关S后缓慢减小，故电流传感器测量的是通过电阻R2的电流，故A错误，B正确；断开开关S后，电流在两个支路间形成回路，故断开开关S后，通过电阻R1、R2的电流大小始终相等，故C正确；断开开关S前通过电阻R2的电流方向从右往左，断开开关S后，线圈所在支路电流方向不变，仍为从右往左，通过电阻R2的电流方向变为从左向右，故D错误。故选BC。 知识点三　对涡流的理解 　利用高频交变电流焊接自行车零件的原理如图所示。图中M是高频交流线圈，N是自行车零件，a是待焊接口。当线圈M中通入高频电流时，把a的两端相接触，接口便会被自动焊接起来。这是为什么？ 提示：线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊缝口的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。 1.涡流产生的条件 (1)穿过金属块的磁通量发生变化。 (2)金属块自身构成闭合回路。 (3)金属块的电阻较小。 2.产生涡流的两种情况 (1)把块状金属放在变化的磁场中。 (2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。 3.涡流现象中的能量分析：伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。 (1)金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能。 (2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能，就会产生电热。 4.涡流的利用与防止 (1)利用 ①利用涡流的热效应： a.电磁炉：金属块内产生涡流时将会产生电热，因此可以用涡流来加热物体。电磁炉就是利用了这一原理。 b.真空冶炼：用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入周期性变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度，由于整个过程是在真空中进行的，从而能有效防止空气中的杂质进入金属，所以可以冶炼高质量的合金。 ②利用涡流的磁效应：电磁阻尼和电磁驱动。 (2)防止：电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器。 (3)减小涡流的方法： ①增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大。 ②用互相绝缘的薄硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯，而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也减少。 (多选)金属冶炼炉的示意图如图。炉内装入被冶炼的金属，线圈通入某种电流，这时被冶炼的金属就能熔化，这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属。有关该金属冶炼炉，下列说法正确的是(　　) A.利用线圈中电流的热效应 B.利用变化的电流在金属中产生的电流的热效应 C.电流变化得越快，金属熔化得越快 D.炉内金属的电阻率越大，金属熔化得越快 答案：BC 解析：根据产生涡流的条件，可知线圈中应通入变化的电流，该电流产生变化的磁场，才会在金属中产生涡流从而使金属熔化，故A错误，B正确；根据法拉第电磁感应定律可知，电流变化越快、炉内金属的电阻率越小，在金属中产生的感应电流就越大，金属熔化得就越快，故C正确，D错误。故选BC。 (多选)在大型用电系统中，都配有变压器，通过互感可以把交变电流进行升压和降压。如图所示，变压器的线圈中都有铁芯，铁芯往往都是用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样做的目的是(　　) 学生用书⬇第57页 A.硅钢电阻率大，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻增大，减少变压器工作时产生的热量 B.硅钢电阻率小，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻减小，减少变压器工作时产生的热量 C.增大涡流发热，提高变压器的效率 D.减少涡流发热，提高变压器的效率 答案：AD 解析：硅钢材料的电阻率大，且采用薄硅钢片，增大了铁芯中的电阻，阻断了涡流回路，变压器工作时产生的涡流的发热量大大减少，减少了电能损失，提高了变压器的效率，所以A、D正确。 分析涡流现象的关键是要掌握涡流的两个特点 1.涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 2.磁场变化越快(越大)，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大。 针对练1.电磁炉的热效率高，“火力”强劲，安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　) A.电磁炉的工作原理是利用了电磁感应现象 B.电磁炉接直流电源时可以正常工作 C.在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D.不能使用陶瓷锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 答案：A 解析：电磁炉工作原理是电磁感应现象中的涡流现象，故A正确；电磁炉通电时，交变电流通过线圈产生交变磁场，从而使金属锅自身产生无数小涡流直接加热锅内的食物。当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，穿过锅底的磁通量不发生变化，不能产生涡流，所以没有加热效果，故B错误；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁感应的产生，不会影响电磁炉的加热作用，故C错误；金属锅自身产生无数小涡流而加热食物，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，无法加热食物，故D错误。 针对练2.“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图为一手持式封口机，它的工作原理是当接通电源时，封口机内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，铝箔材料瞬间产生大量小涡流，并快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的。下列说法正确的是(　　) A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔 B.该封口机可用干电池作为电源 C.若封口过程中封口材料温度过高，可通过适当降低所通电流的频率来解决 D.该封口机适用于玻璃、塑料、金属等多种材质的容器封口 答案：C 解析：涡流只能在导体材料中产生，A错误；穿过导体的磁通量发生变化才能产生涡流，而干电池产生的是恒定电流，恒定电流产生的磁场不变，不能产生涡流，不能用干电池作为电源，B错误；所通电流的频率降低时，穿过封口铝箔材料的磁通量变化率变小，产生的涡流变小，则温度降低，C正确；金属容器中也会产生涡流，故不适用于金属容器的封口，D错误。故选C。 1.下列关于涡流的说法正确的是(　　) A.涡流跟常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量发生变化而产生的 B.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流 C.涡流有热效应，但没有磁效应 D.在硅钢片中不能产生涡流 答案：A 解析：涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，也有磁效应，硅钢片中能产生涡流，但电流较小，故选A。 2.下列说法正确的是(　　) A.感应电流的磁场总是与原磁场方向相反 B.线圈的自感作用是阻碍通过线圈的电流 C.当穿过线圈的磁通量为0时，感应电动势一定为0 D.自感电动势阻碍原电流的变化 答案：D 解析：当磁通量增大时，感应电流的磁场与原磁场相反；当磁通量减小时，感应电流的磁场与原磁场相同。即感应电流的磁场方向取决于引起感应电流的磁通量是增加还是减小，故A错误；线圈的自感作用是阻碍通过线圈的电流的变化，不是阻碍电流，故B错误；线圈的感应电动势的大小与磁通量的大小无关，与磁通量的变化率有关，故C错误；根据线圈自感的特点可知，自感电动势阻碍原电流的变化，故D正确。 3.如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置，小磁块先后在两管中从相同的高度处由静止释放，并落至底部。则小磁块(　　) A.在P和Q中都做自由落体运动 B.在两个下落过程中的机械能都守恒 C.在P中的下落时间比在Q中的短 D.落至底部时在P中的速度比在Q中的小 答案：D 解析：当小磁块在光滑的铜管P中下落时，由于穿过铜管的磁通量变化，导致铜管产生感应电流，小磁块将受到阻碍作用，而对于塑料管内小磁块没有任何阻碍，在做自由落体运动，故A错误；由A选项分析可知，在铜管P中的小磁块机械能不守恒，而在塑料管中的小磁块机械能守恒，故B错误；在铜管中小磁块受到安培阻力，故在P中的下落时间比在Q中的长，故C错误；根据动能定理可知，因安培阻力，导致产生热能，则至底部时在P中的速度比在Q中的小，故D正确。 4.如图所示的电路中，D1、D2是完全相同的灯泡，线圈L的自感系数较大，直流电阻不计。先闭合开关S，电路稳定后再断开开关S，此时(　　) A.D1立刻熄灭 B.D2立刻熄灭 C.D1闪亮一下逐渐熄灭 D.D2闪亮一下逐渐熄灭 答案：D 解析：由于线圈直流电阻忽略不计，当电流逐渐稳定时，线圈不产生感应电动势，流过灯D1电流较大，断开开关S时，由于自感，线圈中的电流只能慢慢减小，其相当于电源，与D1、D2和电阻R构成闭合回路放电，因流过灯D1电流较大，则D2要闪亮一下，且两灯都过一会儿熄灭，故A、B、C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $